Átomos entrelazados a distancia mejoran la precisión de mediciones

Investigadores de la Universidad de Basilea y del Laboratoire Kastler Brossel en París, demostraron que el entrelazamiento cuántico puede ser utilizado para medir múltiples cantidades físicas simultáneamente con una precisión superior a la que permiten los métodos tradicionales. Este avance fue posible al dividir un grupo de átomos entrelazados en nubes separadas, lo que les permitió medir campos electromagnéticos de manera más precisa que antes.

El entrelazamiento es uno de los efectos más enigmáticos de la física cuántica. Cuando dos objetos cuánticos están entrelazados, las mediciones realizadas sobre uno de ellos pueden estar fuertemente vinculadas al otro, incluso cuando se encuentran a grandes distancias. Este fenómeno, conocido como la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen, fue confirmado experimentalmente y reconocido con el Nobel de Física 2022.

El equipo, liderado por el profesor Dr. Philipp Treutlein y la profesora Dr. Alice Sinatra, mostró que los sistemas entrelazados espacialmente pueden ser utilizados para medir parámetros físicos con mejor precisión. "La metrología cuántica, que aprovecha los efectos cuánticos para mejorar las mediciones de cantidades físicas, es ahora un campo de investigación establecido", comentó Treutlein.

Hace aproximadamente quince años, él y sus colaboradores fueron pioneros en el entrelazamiento de los giros de átomos extremadamente fríos. Estos giros, que pueden ser imaginados como pequeñas agujas de brújula, podían ser medidos con mayor precisión que si cada átomo se comportara de manera independiente. Sin embargo, en ese entonces, todos los átomos estaban en el mismo lugar. Ahora, el equipo extendió este concepto distribuyendo los átomos en hasta tres nubes separadas.

Esta técnica resulta especialmente útil para estudiar cantidades que varían en el espacio. Por ejemplo, los investigadores que deseen medir cómo cambia un campo electromagnético de un lugar a otro pueden usar giros atómicos entrelazados que estén físicamente separados. Al igual que en las mediciones realizadas en un solo lugar, el entrelazamiento reduce la incertidumbre que surge de los efectos cuánticos y puede cancelar perturbaciones que afectan a todos los átomos de la misma manera.

El investigador Yifan Li, quien trabajó en el experimento como postdoctorado en el grupo de Treutlein, explicó que hasta ahora nadie había realizado una medición cuántica con nubes atómicas entrelazadas espacialmente, y el marco teórico para tales mediciones también era incierto. Junto con sus colegas del LKB, el equipo estudió cómo minimizar la incertidumbre al utilizar nubes entrelazadas para medir la estructura espacial de un campo electromagnético.

Para lograr esto, los investigadores primero entrelazaron los giros atómicos dentro de una sola nube. Luego, dividieron esa nube en tres partes que permanecieron entrelazadas entre sí. Con un número reducido de mediciones, pudieron determinar la distribución del campo con una precisión claramente superior a la que sería posible sin el entrelazamiento a través del espacio.

Los protocolos de medición pueden aplicarse directamente a instrumentos de precisión existentes, como los relojes de red óptica. En estos relojes, los átomos se mantienen en su lugar por haces de láser dispuestos en una red, funcionando como mecanismos de reloj extremadamente precisos. Los nuevos métodos podrían reducir errores específicos causados por la distribución de los átomos dentro de la red, llevando a una mayor precisión en la medición del tiempo.

La misma estrategia también podría mejorar los interferómetros atómicos, que se utilizan para medir la aceleración gravitacional de la Tierra. En ciertas aplicaciones, conocidas como gravímetros, los científicos se centran en cómo la gravedad cambia en el espacio. Utilizar átomos entrelazados permite medir estas variaciones con una precisión mayor que antes.

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